目前，用於定距測量(量度距離)的電子系統包括有SONAR(聲納導航及測距)、RADAR(無線電方向及測距)和LIDAR(光線檢測及測距)等種類。基本上，這些系統都是採用相同的原理來測量與物件(目標)間的距離，它們均包含有一個能量源以及一個檢測反射訊號和分析這些訊號以獲取有關目標資訊的方法。然而，當中最普遍的應用便是測量目標物的距離。
RADAR一般用以檢測及監視比較大型的物體，像是飛機及汽車等。至於SONAR，它一般會用來偵測和監視水中的物體，例如是潛水艇和魚類等。而LIDAR則是一項相對較新的技術，可從事多種應用，例如是建築方面的測距、軍事定距測量，以及公路收費亭的汽車檢測和汽車間的距離測量等。
LIDAR的其中一項最新應用是汽車調適性速度控制。在此類應用中，巡航控制的駕駛速度可按駕駛者的意願來決定，如同其他的巡航控制系統一樣。一旦當汽車駛近一輛速度較慢的汽車時，調適性速度控制能夠自動減速以配合前車的速度，與前車保持著安全的距離。
本文將討論此項應用的原理，並提供低廉設計成本的汽車調適性速度控制電路前端的方法。
系統的選擇
這種系統所用的方法包括有連續波(CW)訊號和脈衝訊號。
CW系統的運作原理是目標會反射一個傳送訊號的相位位移版本訊號回來，而在接收器中的相位比較器會將反射回來的相位位移訊號與原本的訊號作比較，最後傳送訊號與接收訊號之間的相位差別變化速度會用來決定距離及距離變化之速度，或兩者的閉合速率。
在脈衝雷射系統中，短光脈衝被送出及接收，而其飛行時間(TOF)和它的變化速率會用來決定目標的距離和閉合速率。
這些系統均需使用一個電子訊號源、功率放大器、發射訊號的發送器、接收傳感器、放大器、訊號調節器和可把接收訊號數位化並送到記憶體的高速類比/數位轉換器，當中DSP、FPGA或微控制器會在較低的速率下將資料恢復以供處理。
不過，CW系統在汽車應用中的主要缺點是成本較高，而LIDAR系統則採用脈衝雷射以提供一個成本效益較高的方案，故受到設計人員的歡迎。
系統要求
系統的測距成效評估會根據幾項因素，包括傳送訊號的峰值功率、訊號的離散和發散、訊號傳播的媒介、目標的反射性以及接收器的靈敏度等。
至於對一個目標的可測最大距離範圍則根據雷射輸出的功率、接收器的光學敏感度，以及大氣傳送光學能量的效率和雷射光束偏離完美直線的程度。
對於接收器的低光度檢測器而言，現有三種基本選擇，分別是矽PIN檢測器、矽雪崩光電二極體(APD)和光電倍增管。當中APD被廣泛使用在各式應用中，原因是它可提供比其他檢測器高的速度和敏感度。
接收器APD可按照投射光量的比例把接收回來的光線脈衝轉換成電流，接著一個互阻抗放大器會把這些電流再轉換成一個電壓。
正如所有類比系統一樣，要達至低雜訊，便需在訊號路徑的最早段提供最佳的雜訊效能表現，所以這部份必需使用低雜訊和高增益的元件。
一個良好的互阻抗放大器應具備高增益、高輸入阻抗、超低的電壓和電流雜訊，以及低的輸入電容。互阻抗放大器的輸出會被放大，並且有可能需要在送到ADC前再經進一步的訊號調理，之後才進行數位化。
與距離較接近的目標比較，從較遠目標接收回來的訊號一般都比較弱，因此接收器的敏感度必需夠高以便能檢測強和弱的訊號，這意味系統的動態範圍必須夠寬闊。故此，100 dB的系統動態範圍要求並不算嚴苛，而且一般可經由在ADC前放置一個類比可變增益放大器(VGA)或一個數字可變增益放大器(DVGA)來達成。
假如所用的ADC有一個差動輸入的話，那便需動用一個單端到差動轉換器，這可由美國國家半導體的LMH655x系列產品來實現。在訊號抵達ADC前的最後一段放置一個電壓放大器，該處的單端轉換器並不能依靠所指定的頻寬來提供足夠的增益。對於這些差動電路來說，LMH655x系列亦可解決這個問題。
在這些系統的接收訊號路徑中的最重要元件是ADC，它的工作是把從目標反射回來的能量數位化。
ADC的要求
測量TOF(定距測量)的準確度將取決於雷射的脈衝寬度和所選用ADC的速度和準確度，因此在這個接收訊號路徑部份中所用的ADC是最重要的類比元件，因為它負責把從目標反彈回來的脈衝訊號數位化。
ADC最低限度的最樣率應為：
Min fS = (c/res)樣本每秒
當中
fS = ADC取樣率
c = 光速
res = 距離解析度
在上述數式中，"c"和"res"的量度單位必須一致，換句話說假如"res"是以英尺來量度，那"c"的單位必須是以每秒多少英尺來計算。
對於汽車LIDAR系統來說，它的測距準確性要求將會以每級±3英尺來計算。由於測距屬於來回性質的TOF，故所要求的測量解析度便是3英尺的兩倍，即是6英尺。考慮到光速為每秒行走299,792,458米(一般約簡為每秒3 x 108 米)或每秒9.84 x 108英尺，ADC的最低限度取樣率應為：
Min fS = (c / res) 樣本每秒
= (9.84 x 108 ft/sec) / 6ft
= 163.9百萬樣本每秒
為作複查，將取樣時間間隔定為：
取樣時間間隔= 1 / fS = 1 / 1.639E8 = 6.1ns.
在特定時間內訊號來回移動的距離為：
距離 = 訊號速度 x TOF
由於這是來回的路程距離，單程便是上述數值的一半，而距離解析度的計算亦相同。
訊號的速度(即光速)為9.84 x 108 ft/sec而飛行時間則為6.1 ns：
解析度= 9.84 x 108 ft/sec x 6.1 x10-9 sec /2
= 3 英尺
正如前面所述，將緩衝器整合至ADC同一塊電路片上將帶來好處，例如ADC08B200就是這種產品，包含有一個速度達200 Msps的ADC和一個1kB的片上緩衝器。此外，ADC08B200還包含有一個片上時脈乘法器，因此就是外部時脈的速率低至25 MHz都可獲得200 Msps的速度。
在200 Msps下使用ADC08B200，所得出的來回距離解析度為：
解析度= c / fS / 2
解析度 = 9.84 x 108 ft/sec / 2 x 108 sec / 2
= 2.46 英尺
與需要把緩衝器併在一起的FPGA或DSP比較，將緩衝器併入ADC內，可縮減FPGA或DSP的尺寸，而且亦可免除使用獨立的FIFPO器件。
以上這些優點都使ADC08B200成為汽車 LIDAR 調適性速度控制系統中的最理想元件選擇。
LIDAR系統的ADC電路
汽車LIDAR接收器設計的核心便是ADC08B200，如圖2的系統方塊圖所示，可大大簡化接收器的設計。除了包含類比/數位轉換器外，ADC08B200還設有一個時脈乘法器，可令設計人員輕易及廉價地獲取低頻時脈振盪器和一個1kB的緩衝器，從而紓緩FPGA、DSP或微控制器對速度和複雜度的要求。
時脈乘法器可把輸入時脈的頻率乘大1、2、4和8倍，這樣便可使用速度低至25 MHz的時脈源，但最後又可得出速度達200 Msps的運作。如果有需要的話，ADC08B200的外部時脈源可以與FPGA、DSP或微控制器的時脈一樣。
緩衝器可以在200 MHz以下的任何速度來讀取，另外該緩衝器亦可被旁路不用，而在這情況下時，資料會以ADC的取樣率不斷地串流出。
為了儘量減低平均功耗，ADC08B200的ADC核心可以當緩衝器被讀取時關機。此外，當要保持系統的功率而又不使用資料轉換器時，那甚至可將整個ADC08B200包括當中的緩衝器關閉。
ADC08B200電路
圖3表示ADC08B200周遭的電路設計，其效果十分簡單直接。當參考電壓低至1V的時候，這設計可得出最佳的效能，而把參考電壓維持在低水準，可有助紓緩來自APD訊號的增益要求，因此這設計採用1.2V的LM4041-12分流參考來為ADC08B200提供在接地的最高和最低參考。當然，假如來自放大器、VGA或DVGA的最低輸出不到接地的話、那最低參考便會升離接地以適應這狀況。
配合1.2V參考電壓和145Ω的最低ADC參考梯度電阻，那最高的參考電流便為8.3mA，而LM4041-1.2的最高電流則被指定在15 mA。在設計上，假如ADC08B200出現不正常時，那設計應可防止有超過15 mA的電流經過LM4041-1.2，因此參考上拉電阻器的最低數值應為：
(3.6V - 1.2V) / 15 mA = 240 Ohms
數式中的3.6V是3.3V電源的最高容差值，採用一個270Ω的電阻器可尤許5%的容差。
圖3. ADC電路方案
ADC08B200的MULT1輸入為高而MULT0輸入為低，從而將50 MHz的時脈輸入乘大四倍以得出200 Msps的速率。由於BSIZE0和BSIZE1兩個都設置成高，所以要應用1024位元組的最大緩衝器容量。有關使用這些引腳的資料，可參考ADC08B200的數據表。
讀取時脈RCLK由FPGA驅動，它是用來讀取ADC08B200緩衝器內的資料，而來自ADC08B200的DRDY訊號則用來把資料鎖存在FPGA內。
當PD接腳被接地，ADC08B200不會完全關機。可是，由於需要降低把功耗，所以量化器會在FPGA的控制下經PDADC接腳來關閉。當PDADC引腳處於高電位時，那ADC本身會被關機，但緩衝器仍維持活動，所以可被讀取。
總結
面對極富挑戰性的測距系統設計，美國國家半導體的ADC08B200可有助減少電路的尺寸和成本，同時可消除系統設計的負擔。
RADAR一般用以檢測及監視比較大型的物體，像是飛機及汽車等。至於SONAR，它一般會用來偵測和監視水中的物體，例如是潛水艇和魚類等。而LIDAR則是一項相對較新的技術，可從事多種應用，例如是建築方面的測距、軍事定距測量，以及公路收費亭的汽車檢測和汽車間的距離測量等。
LIDAR的其中一項最新應用是汽車調適性速度控制。在此類應用中，巡航控制的駕駛速度可按駕駛者的意願來決定，如同其他的巡航控制系統一樣。一旦當汽車駛近一輛速度較慢的汽車時，調適性速度控制能夠自動減速以配合前車的速度，與前車保持著安全的距離。
本文將討論此項應用的原理，並提供低廉設計成本的汽車調適性速度控制電路前端的方法。
系統的選擇
這種系統所用的方法包括有連續波(CW)訊號和脈衝訊號。
CW系統的運作原理是目標會反射一個傳送訊號的相位位移版本訊號回來，而在接收器中的相位比較器會將反射回來的相位位移訊號與原本的訊號作比較，最後傳送訊號與接收訊號之間的相位差別變化速度會用來決定距離及距離變化之速度，或兩者的閉合速率。
在脈衝雷射系統中，短光脈衝被送出及接收，而其飛行時間(TOF)和它的變化速率會用來決定目標的距離和閉合速率。
這些系統均需使用一個電子訊號源、功率放大器、發射訊號的發送器、接收傳感器、放大器、訊號調節器和可把接收訊號數位化並送到記憶體的高速類比/數位轉換器，當中DSP、FPGA或微控制器會在較低的速率下將資料恢復以供處理。
不過，CW系統在汽車應用中的主要缺點是成本較高，而LIDAR系統則採用脈衝雷射以提供一個成本效益較高的方案，故受到設計人員的歡迎。
系統要求
系統的測距成效評估會根據幾項因素，包括傳送訊號的峰值功率、訊號的離散和發散、訊號傳播的媒介、目標的反射性以及接收器的靈敏度等。
至於對一個目標的可測最大距離範圍則根據雷射輸出的功率、接收器的光學敏感度，以及大氣傳送光學能量的效率和雷射光束偏離完美直線的程度。
對於接收器的低光度檢測器而言，現有三種基本選擇，分別是矽PIN檢測器、矽雪崩光電二極體(APD)和光電倍增管。當中APD被廣泛使用在各式應用中，原因是它可提供比其他檢測器高的速度和敏感度。
接收器APD可按照投射光量的比例把接收回來的光線脈衝轉換成電流，接著一個互阻抗放大器會把這些電流再轉換成一個電壓。
正如所有類比系統一樣，要達至低雜訊，便需在訊號路徑的最早段提供最佳的雜訊效能表現，所以這部份必需使用低雜訊和高增益的元件。
一個良好的互阻抗放大器應具備高增益、高輸入阻抗、超低的電壓和電流雜訊，以及低的輸入電容。互阻抗放大器的輸出會被放大，並且有可能需要在送到ADC前再經進一步的訊號調理，之後才進行數位化。
與距離較接近的目標比較，從較遠目標接收回來的訊號一般都比較弱，因此接收器的敏感度必需夠高以便能檢測強和弱的訊號，這意味系統的動態範圍必須夠寬闊。故此，100 dB的系統動態範圍要求並不算嚴苛，而且一般可經由在ADC前放置一個類比可變增益放大器(VGA)或一個數字可變增益放大器(DVGA)來達成。
假如所用的ADC有一個差動輸入的話，那便需動用一個單端到差動轉換器，這可由美國國家半導體的LMH655x系列產品來實現。在訊號抵達ADC前的最後一段放置一個電壓放大器，該處的單端轉換器並不能依靠所指定的頻寬來提供足夠的增益。對於這些差動電路來說，LMH655x系列亦可解決這個問題。
在這些系統的接收訊號路徑中的最重要元件是ADC，它的工作是把從目標反射回來的能量數位化。
ADC的要求
測量TOF(定距測量)的準確度將取決於雷射的脈衝寬度和所選用ADC的速度和準確度，因此在這個接收訊號路徑部份中所用的ADC是最重要的類比元件，因為它負責把從目標反彈回來的脈衝訊號數位化。
ADC最低限度的最樣率應為：
Min fS = (c/res)樣本每秒
當中
fS = ADC取樣率
c = 光速
res = 距離解析度
在上述數式中，"c"和"res"的量度單位必須一致，換句話說假如"res"是以英尺來量度，那"c"的單位必須是以每秒多少英尺來計算。
對於汽車LIDAR系統來說，它的測距準確性要求將會以每級±3英尺來計算。由於測距屬於來回性質的TOF，故所要求的測量解析度便是3英尺的兩倍，即是6英尺。考慮到光速為每秒行走299,792,458米(一般約簡為每秒3 x 108 米)或每秒9.84 x 108英尺，ADC的最低限度取樣率應為：
Min fS = (c / res) 樣本每秒
= (9.84 x 108 ft/sec) / 6ft
= 163.9百萬樣本每秒
為作複查，將取樣時間間隔定為：
取樣時間間隔= 1 / fS = 1 / 1.639E8 = 6.1ns.
在特定時間內訊號來回移動的距離為：
距離 = 訊號速度 x TOF
由於這是來回的路程距離，單程便是上述數值的一半，而距離解析度的計算亦相同。
訊號的速度(即光速)為9.84 x 108 ft/sec而飛行時間則為6.1 ns：
解析度= 9.84 x 108 ft/sec x 6.1 x10-9 sec /2
= 3 英尺
正如前面所述，將緩衝器整合至ADC同一塊電路片上將帶來好處，例如ADC08B200就是這種產品，包含有一個速度達200 Msps的ADC和一個1kB的片上緩衝器。此外，ADC08B200還包含有一個片上時脈乘法器，因此就是外部時脈的速率低至25 MHz都可獲得200 Msps的速度。
在200 Msps下使用ADC08B200，所得出的來回距離解析度為：
解析度= c / fS / 2
解析度 = 9.84 x 108 ft/sec / 2 x 108 sec / 2
= 2.46 英尺
與需要把緩衝器併在一起的FPGA或DSP比較，將緩衝器併入ADC內，可縮減FPGA或DSP的尺寸，而且亦可免除使用獨立的FIFPO器件。
以上這些優點都使ADC08B200成為汽車 LIDAR 調適性速度控制系統中的最理想元件選擇。
LIDAR系統的ADC電路
汽車LIDAR接收器設計的核心便是ADC08B200，如圖2的系統方塊圖所示，可大大簡化接收器的設計。除了包含類比/數位轉換器外，ADC08B200還設有一個時脈乘法器，可令設計人員輕易及廉價地獲取低頻時脈振盪器和一個1kB的緩衝器，從而紓緩FPGA、DSP或微控制器對速度和複雜度的要求。
時脈乘法器可把輸入時脈的頻率乘大1、2、4和8倍，這樣便可使用速度低至25 MHz的時脈源，但最後又可得出速度達200 Msps的運作。如果有需要的話，ADC08B200的外部時脈源可以與FPGA、DSP或微控制器的時脈一樣。
緩衝器可以在200 MHz以下的任何速度來讀取，另外該緩衝器亦可被旁路不用，而在這情況下時，資料會以ADC的取樣率不斷地串流出。
為了儘量減低平均功耗，ADC08B200的ADC核心可以當緩衝器被讀取時關機。此外，當要保持系統的功率而又不使用資料轉換器時，那甚至可將整個ADC08B200包括當中的緩衝器關閉。
ADC08B200電路
圖3表示ADC08B200周遭的電路設計，其效果十分簡單直接。當參考電壓低至1V的時候，這設計可得出最佳的效能，而把參考電壓維持在低水準，可有助紓緩來自APD訊號的增益要求，因此這設計採用1.2V的LM4041-12分流參考來為ADC08B200提供在接地的最高和最低參考。當然，假如來自放大器、VGA或DVGA的最低輸出不到接地的話、那最低參考便會升離接地以適應這狀況。
配合1.2V參考電壓和145Ω的最低ADC參考梯度電阻，那最高的參考電流便為8.3mA，而LM4041-1.2的最高電流則被指定在15 mA。在設計上，假如ADC08B200出現不正常時，那設計應可防止有超過15 mA的電流經過LM4041-1.2，因此參考上拉電阻器的最低數值應為：
(3.6V - 1.2V) / 15 mA = 240 Ohms
數式中的3.6V是3.3V電源的最高容差值，採用一個270Ω的電阻器可尤許5%的容差。
圖3. ADC電路方案
ADC08B200的MULT1輸入為高而MULT0輸入為低，從而將50 MHz的時脈輸入乘大四倍以得出200 Msps的速率。由於BSIZE0和BSIZE1兩個都設置成高，所以要應用1024位元組的最大緩衝器容量。有關使用這些引腳的資料，可參考ADC08B200的數據表。
讀取時脈RCLK由FPGA驅動，它是用來讀取ADC08B200緩衝器內的資料，而來自ADC08B200的DRDY訊號則用來把資料鎖存在FPGA內。
當PD接腳被接地，ADC08B200不會完全關機。可是，由於需要降低把功耗，所以量化器會在FPGA的控制下經PDADC接腳來關閉。當PDADC引腳處於高電位時，那ADC本身會被關機，但緩衝器仍維持活動，所以可被讀取。
總結
面對極富挑戰性的測距系統設計，美國國家半導體的ADC08B200可有助減少電路的尺寸和成本，同時可消除系統設計的負擔。
